(57)【要約】【課題】正確で、低い電力要求を有し、低コストの可視ビーム距離計を提供する。【解決手段】距離を測定する“レーザテープ測定装置”は、送信タイミング信号に応じて電磁パルス列を送信するレーザダイオード(43)などの送信機を備える。受信機は、受信タイミング信号(42)に応じて、制御されたタイミングでフィールド内の対象物からの可視電磁パルス列の反射をサンプリングする。受信機はサンプルに応じてサンプル信号を生成し、そのサンプル信号は、反射を生じさせる対象物までの距離を示す。タイミング回路は、送信タイミング信号を送信機に供給し、受信タイミング信号を受信機に供給する。受信タイミング信号は、パルス列中のパルス送信と受信機によるサンプリングとの間の時間が遅延範囲にわたり掃引されるように受信機に反射をサンプリング(50)させる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
距離測定装置において、
送信タイミング信号に応じて可視電磁パルス列を送信する送信機と、
受信タイミング信号に応じて、制御されたタイミングで対象物からの可視電磁パルス列の反射をサンプリングし、サンプルに応じて対象物までの距離を示すサンプル信号を生成する受信機と、
送信機に送信タイミング信号を供給し、受信機に受信タイミング信号を供給するタイミング回路と、を備え、
前記受信タイミング信号は、前記パルス列中のパルス送信と受信機によるサンプリングとの間の時間が遅延範囲にわたり掃引されるように、受信機に反射をサンプルさせる装置。
【請求項２】
送信タイミング信号は、パルス間の時間を規定するための一貫したパルス繰返し速度で送信機に可視電磁パルス列を送信させ、前記パルス間の時間は、上記遅延範囲の開始と終了における遅延差より大きい請求項１に記載の装置。
【請求項３】
送信タイミング信号は、パルス繰返し速度で送信機に可視電磁パルス列を送信させ、受信タイミング信号は掃引サイクル中で上記遅延範囲にわたり掃引して、反射がパルス繰返し速度で上記遅延範囲中の異なる遅延でサンプリングされ、サンプル信号が等価時間における受信された反射を示すようにする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
掃引サイクルは、１６キロヘルツ未満の掃引速度で繰返される請求項３に記載の装置。
【請求項５】
掃引サイクルは、１００ヘルツ未満の掃引速度で繰返される請求項３に記載の装置。
【請求項６】
パルス繰返し速度は、約１メガヘルツより大きい請求項３に記載の装置。
【請求項７】
受信機は、アバランシェフォトダイオードと、出力及び入力がアバランシェダイオードに接続されたサンプリングゲートと、サンプリングゲートの出力に接続されたアンプと、を備える請求項１に記載の装置。
【請求項８】
送信機は、可視電磁パルス列を供給するレーザダイオードを有する請求項１に記載の装置。
【請求項９】
フィールド内の対象物までの距離を検出する掃引範囲ゲートセンサにおいて、
光源を有し、送信タイミング信号に応じて、光源からのパルス列を含むビームをフィールド内へ送信する送信機と、
光検出器を有し、受信タイミング信号に応じて、制御されたタイミングでフィールド内の対象物からのビームの反射をサンプリングする受信機と、
送信タイミング信号を送信機に供給し、受信タイミング信号を受信機に供給するタイミング回路と、
受信機に接続され、サンプル信号に応じて対象物までの距離を示すシグナルプロセッサと、を有し、受信タイミング信号は、受信機に、送信機によるパルス列中のパルス送信と受信機によるサンプリングとの間の時間が遅延範囲にわたり掃引されるように反射をサンプリングさせるセンサ。
【請求項１０】
シグナルプロセッサはカウンタを有し、前記カウンタはカウント速度で掃引開始からサンプル信号が閾値に達するまでカウントを行い、フィールド内の反射ソースの位置を示すカウンタ出力を生成する請求項９に記載のセンサ。
【請求項１１】
タイミング回路は、制御入力を有する電圧制御遅延回路と、電圧制御遅延回路の制御入力に接続され、受信タイミング信号を掃引する電圧ランプ発生器と、を有する請求項９に記載のセンサ。
【請求項１２】
電圧ランプ発生器はディジタルアナログ変換器を有する請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
電圧ランプ発生器は、アナログ指数ランプ発生器を有し、電圧制御遅延回路は制御入力上の電圧の指数関数である遅延を生成する請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１４】
送信タイミング信号は、送信機にパルス繰返し速度で光パルス列を送信させ、受信タイミング信号は、掃引サイクル中の上記遅延範囲にわたり掃引して、反射がパルス繰返し速度で上記遅延範囲中の異なる遅延でサンプリングされ、サンプル信号が等価時間における受信された反射を示すようにする請求項９に記載のセンサ。
【請求項１５】
掃引サイクルは、約１６キロヘルツ未満の掃引速度で繰返される請求項１４に記載のセンサ。
【請求項１６】
掃引サイクルは、１００ヘルツ未満の掃引速度で繰返される請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１７】
パルス繰返し速度は、約１メガヘルツより大きい請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１８】
受信機は、光検出器に接続されたサンプリングゲートと、入力がサンプリングゲートに接続されたアンプと、を有する請求項９に記載のセンサ。
【請求項１９】
光源はレーザを含む請求項９に記載のセンサ。
【請求項２０】
光源はレーザダイオードを含む請求項９に記載のセンサ。
【請求項２１】
光源は発光ダイオードを含む請求項９に記載のセンサ。
【請求項２２】
送信ビームと受信反射とが実質的に平行なビームを有するようにする光学系を備える請求項９に記載のセンサ。
【請求項２３】
光検出器はアバランシェフォトダイオードを含む請求項９に記載のセンサ。
【請求項２４】
光検出器はＰＩＮダイオードを含む請求項９に記載のセンサ。
【請求項２５】
光検出器は、定電流バイアス回路を有するアバランシェフォトダイオードを含む請求項９に記載のセンサ。
【請求項２６】
ビームは可視光である請求項９に記載のセンサ。
【請求項２７】
シグナルプロセッサは、初期エッジを検出する回路を有する請求項９に記載のセンサ。
【請求項２８】
光源はレーザダイオードを含み、前記レーザダイオードは、ビームが高度に純粋ではないパルスの初期エッジ期間により特徴付けられるパルスを生成し、シグナルプロセッサは前記期間中の反射の初期エッジを検出する回路を有する請求項９に記載のセンサ。
【請求項２９】
フィールド内の対象物までの距離を検出する掃引範囲ゲートセンサにおいて、
レーザダイオードを有し、送信タイミング信号に応じてパルス列を有する光ビームを送信する送信機であって、前記ビーム中のパルスは、ビームが高度に純粋ではない初期エッジ期間により特徴付けられる送信機と、
サンプルゲートに接続されたアバランシェフォトダイオードを有し、受信タイミング信号に応じて、制御されたタイミングでビームが照射された対象物からの反射をサンプリングし、サンプルに応じてサンプル信号を生成する受信機と、
送信タイミング信号を送信機に供給し、受信タイミング信号を受信機に供給するタイミング回路であって、前記受信タイミング信号は、送信機によるパルス列中のパルス送信と受信機によるサンプリングとの間の時間が遅延範囲にわたって掃引されるように受信機に反射をサンプリングさせる受信機と、
受信機に接続され、前記期間内の反射の初期エッジの往復飛行時間を示す出力を生成するシグナルプロセッサと、を備えるセンサ。
【請求項３０】
アバランシェフォトダイオードに接続された定電流バイアス回路を有する請求項２９に記載のセンサ。
【請求項３１】
受信機は、光検出器に接続されたサンプリングゲートと、入力がサンプリングゲートに接続されたアンプと、を有する請求項２９に記載のセンサ。
【請求項３２】
送信ビームと受信反射とが実質的に平行ビームとなるようにする光学系を備える請求項２９に記載のセンサ。
【請求項３３】
第１位置から第２位置までの距離を測定する方法において、
制御されたタイミングで第１位置から第２位置へパルスの光ビームを送信する工程と、
第１位置において、送信工程におけるビーム中のパルス送信とサンプリングとの間の時間が遅延範囲にわたり定期的に掃引されるように可視ビームの反射をサンプリングする工程と、
結果として得られるサンプルを処理してビーム中のパルスの往復飛行時間を決定する工程と、を備える方法。
【請求項３４】
送信工程は、パルスの少なくとも初期エッジが高度にマルチモードとなるようにパルスを生成する工程を含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記パルスをレーザダイオードを使用して生成する工程を有する請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記パルスを発光ダイオードを使用して生成する工程を有する請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
アバランシェフォトダイオードを使用して前記反射をサンプリングする工程を有する請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
ＰＩＮダイオードを使用して前記反射をサンプリングする工程を有する請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
アバランシェフォトダイオードを定電流にバイアスする工程を有する請求項３７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離測定技術におけるレーザビーム等の光ビームの使用に関し、特に非常に精密な解像度で目標物までの距離を測定するためのレーザビームの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国政府は、ローレンス・リバーモア・ナショナル・ラボラトリーの事業に関する米国エネルギー庁とカリフォルニア大学との間の契約No.  W-7405-ENG-48に従って、本発明に関する権利を有する。
【０００３】
継続出願データ
本出願は、私の先行する米国特許出願、出願番号08/359,151；出願日１９９４年１２月１９日、発明者トーマス  マッキーワン(IL-9567)の「高解像度掃引範囲ゲートを有する短距離超広帯域レーダ」の継続出願であり、これをここに完全に記述されたとして参考として挙げる。その出願は１９９４年９月６日出願のNo.08/300,909の一部継続出願であり、その出願は１９９３年５月７日出願のNo.08/058,398の一部継続出願であり、その出願は現在は１９９４年９月６日発行の米国特許No.5,345,471である１９９３年４月１２日出願のNo.08/044,745の一部継続出願である。
【０００４】
関連技術の記述
レーザ距離測定は１９６０年代に遡り、１９７０年代に実際に良好に開発された。例えば、アポロ宇宙飛行士は月面に逆反射体を残し、それは本発明の発明者により設計されたタイミング装置を使用して約６インチの精度で地球上の望遠鏡観測所からの距離測定を可能とした。また、１９７０年代には戦場での使用のために、同様の精度のレーザ目標指示器が開発されていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらのレーザシステムは、１００キロワット以上の出力レベルと約１０ナノ秒のパルス幅を有し、近赤外線内で動作するフラッシュランプポンプドＱスイッチドレーザに基づいていた。これらのレーザは目に対して安全でなく、低コストでなく、小型でもなかった。
【０００６】
１９７０年代、赤外線帯域で短距離（１００フィート以下）を超える距離への十分なパワーを有するレーザダイオードが開発され、駆動要求が約１０アンペアから０．１アンペア以下に減少する進歩があった。１９８０年代、バーコードリーダ及びレーザポインタに低駆動電流可視赤色レーザダイオードが現れ始めた。価格は数百ドルから１０の係数で急激に下がり、使用量が増すにつれて下降を続けた。今では、商用レーザ距離計は、約１センチメートルの解像度を有し、警察のレーダースピードガンに類似する銃形のエンクロージャ内に収容されるユニットを含む。そのような装置の一つは５，０００ドルの範囲である。より最近では、ジョージア州NorcrossのLeica  Inc．が“Disto”として知られるレーザ距離計を発表した。これらの距離計は連続波（ＣＷ）変調を使用し、精密な距離情報を取得するために位相比較手法を有するものが最も多い。ＣＷ動作の問題点は高い平均パワー消費を含み、それはレーザの短い寿命とバッテリーの短い寿命に繋がる。Leica社により提供されるDisto装置の公表された読取り限界はバッテリー充電間に４００回のみである。連続波動作のさらなる問題は高いレーザ出力レベルであり、それは目に安全な状態を超えてしまう。従って、これらの装置は職業的使用には適するが、広く普及する一般使用には適さない。
【０００７】
また、より根本的には、レーザスペックルはノイズ効果を生じ、それは平均化することができず、従来のレーザ距離測定システムの解像度を制限する。レーザスペックルはレーザ光自身の純度により生じ、人々がレーザビーム中に見る眩しい光の原因となる。
【０００８】
従って、正確で、低い電力要求を有し、低コストの可視ビーム距離計を提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の概要
本発明は、高解像度レーザテープ測定装置を提供し、それは布及び金属の測定器具を、１ミリメートル未満の解像度で目標物までの距離を測定する可視ビームにより置換することができる。目標物上に投射された明るいスポットは測定中の点を明確に示し、ユーザはその点までの距離を、その距離の０．１％以上の精度で読み取ることができる。
【００１０】
従って、本発明は距離測定装置として特徴付けられ、その装置は送信タイミング信号に応じて可視電磁パルス列を送信する送信機を有する。受信機は、受信タイミング信号に応じて、制御されたタイミングで視野内の対象物からの電磁パルス列の反射をサンプリングする。受信機は、反射を生じさせた対象物までの距離を示すサンプルに応じてサンプル信号を生成する。タイミング回路は、送信タイミング信号を送信機に供給し、受信タイミング信号を受信機に供給する。受信タイミング信号は、受信機に、パルス列中のパルス送信と受信機によるサンプリングとの間の時間が遅延範囲にわたって掃引されるように反射をサンプリングさせる。送信タイミング信号は、送信機にパルス繰返し速度で可視電磁パルス列を送信させ、受信タイミング信号は掃引サイクル中の上記遅延範囲にわたって掃引し、パルス繰返し速度で、上記遅延範囲中の異なる遅延で反射がサンプルされ、サンプル信号が等価時間における受信された反射を示すようにする。
【００１１】
本発明の一つの観点による受信機は、アバランシェフォトダイオードと、受信タイミング信号に応答するフォトダイオードに接続されたサンプリングゲートとを有する。送信機は、レーザダイオード又は発光ダイオードを含み、それは可視電磁パルス列を供給する。
【００１２】
一例によれば、パルス繰返し周波数は約１ＭＨｚであり、上記遅延範囲についての掃引サイクルは１６ＫＨｚ未満の掃引速度、例えば４０Ｈｚで繰返される。掃引サイクルが掃引される上記遅延範囲は１００ナノ秒未満とすることができる。
【００１３】
本発明の一つの観点によれば、レーザダイオードは電磁パルスビームを生成するために使用される。レーザダイオードは、高純度出力を達成するためにターンオンから約１ナノ秒を要し、それにより本発明のパルス変調は高度にマルチモードの光出力を生成し、それはパルスの初期のナノ秒についてより広い光スペクトルを有し、その初期の間隔において他の従来技術のレーザシステムより非常に少ないスペックルを有する。短いパルスの初期エッジ情報のみをサンプリングすることにより、ＣＷ方法のスペックル効果を防止することができる。レーザダイオード出力のための約５ナノ秒又はそれ以上の増加したパルス幅が好適なシステムにおいて使用される。これはスポットの鮮明度を増加するが、測定値は反射パルスの初期エッジにおいて取得されるので、測定精度には寄与せず、測定精度を変更するわけではない。
【００１４】
本発明のさらに他の観点では、送信されたビーム及び受信されたビームを実質的に平行とし、視差の問題を防止する装置が光学系に含まれる。
【００１５】
本発明のさらに他の観点では、タイミング回路は、周波数ｆ１の送信タイミング信号を生成するための、水晶又は原子時計などの第１の高度に安定なクロックを有する。また、タイミング回路は、周波数ｆ２で発振する、水晶又は原子時計などの第２の高度に安定なクロックを有し、周波数ｆ２は周波数ｆ１から走査速度ｆscanを減算したものに等しい。各走査サイクルは、ｆ１及びｆ２のクロックの出力の立ち上がりエッジの一致により開始される。これらのクロックは走査速度で一致する。クロック出力ｆ２により、サンプルゲートは走査速度で遅延範囲にわたり受信されたエコーをサンプルする。さらに、高度に安定な水晶又は原子クロックの使用は、システムに非常に正確な出力を提供する。代替的システムは、遅延発生器に基づくアナログ、又はディジタル−アナログ変換を使用し、それは相当な精度及び非常に高い解像度を提供する。
【００１６】
本発明は、第１位置から第２位置までの距離を測定する方法として特徴付けることができ、その方法は、１）第１位置から第２位置へ制御されたタイミングで可視パルスビームを送信する工程と、２）第１位置で、好ましくは送信ビームと実質的に平行な可視ビームの反射をサンプリングし、送信工程中のビームのパルス送信と、反射のサンプリングとの間の時間遅延が遅延範囲にわたって掃引されるようにする工程と、３）結果として得たサンプルを処理してビーム中のパルスの往復飛行時間を決定する工程と、を含む。さらに、本発明による送信工程は、少なくともパルスの初期エッジ、例えばレーザダイオードによるパルス生成の最初のナノ秒が高度にマルチモードとなるようにパルスを発生する工程を含む。
【００１７】
本発明は、以下のものを含む従来の多くのレーザ距離計の問題を解決する：
１）ナノ秒未満のパルスの初期エッジのサンプリングが、従来技術で精度を制限していたレーザダイオードのスペックルノイズを除去する；
２）ナノ秒未満のパルスのサンプリングが、直接的に高解像度を提供し、ＣＷシステムに見られる位相の不明瞭を解消する；
３）低デューティサイクルが平均レーザ出力パワーを減少させ、目に安全な装置を製造し、レーザダイオード及びバッテリーの寿命を延ばす；
４）使用される微少消費電力レーダ距離計回路は非常に低コストである。
【００１８】
本発明の他の観点及び長所は、図面、詳細な説明及びそれに続く請求の範囲の考察により理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の好適な実施形態の詳細な説明が図１乃至７を参照して提供され、図１は本発明によるレーザ距離計の使用状況を示す。図１に示すように、レーザ距離センサ１０は、一般的に１１で示す第１位置に配置され、第２位置の一般的に１２で示すスポットを照射する。一般的に１３で示す電磁パルスビームはスポット１２を照明し、それはビーム１３と実質的に平行な経路１４に沿ってパルスを反射する。本発明によるレーザ距離センサは、パルス列の飛行の往復時間を測定する。
【００２０】
図１は、十分な光が散乱して経路１４に沿って戻り、センサ１０により検出可能である限り、スポット１２の位置はビーム１３と垂直な場所にある必要が無いことを示していることに注意すべきである。
【００２１】
図２はレーザ距離センサ１０の基本的構成要素を示す。本発明によれば、好適な実施形態においてレーザ距離センサ１０は、レーザダイオード２０及びフォトディテクタ２１を備える。レーザダイオード２０は、一般的に２３で示される光学系により案内されて経路２２に沿って可視範囲の連続電磁パルスを放射する。経路２２上のビームからの反射パルスは、経路２４に沿って光学系を通ってフォトディテクタ２１により受け取られる。一般的に２８で示されるパルス及びサンプルタイミング回路は、装置に電源供給するバッテリー２５を備え、レーザダイオード２０及びフォトディテクタ２１に接続される。パルス及びサンプルタイミング回路２８は、サンプル信号をシグナルプロセッサ２６へ供給し、シグナルプロセッサ２６は距離ディスプレイ２７を制御する。
【００２２】
図３は、図２のシステムと共に使用されるパルス及びサンプルタイミング回路２８、レーザダイオード２０及びフォトディテクタ２１の簡略ブロック図を示す。図示のように、そのシステムは、一般的に４０で示され、例えば１から４ＭＨｚで発振するパルス繰返し発振器を有する。発振器はパルス発生器４１を駆動し、パルス発生器４１は高速トランジスタ４２を駆動する。トランジスタは、一般的に４４で示される抵抗キャパシタ並列回路網を通じてレーザダイオード４３を駆動する。レーザダイオード４３は５ボルト電源に接続される。
【００２３】
パルス発生器４１及び高速トランジスタ４２に応答して、電磁放射の可視パルス列が一般的に４５で示される経路に沿って発生される。レーザダイオード２０は、スイッチバイポーラトランジスタにより直接的に、５ナノ秒以上のパルス幅で駆動される。これは１％より僅かに大きいデューティサイクルを生じる。パルス幅を増加すると光スポットはより見やすくなるが、測定精度には寄与せず、測定精度を変化もさせない。低いデューティサイクルはバッテリーパワーを節約する。検出可能な光パルスストリームが発生し、目標地点に集束される限り、発光ダイオードのようなレーザダイオード以外の光源を使用することができる。目標７０は、送信パルスを経路４５と実質的に平行な経路７１に沿って受信機内のレンズ７２へ反射する。
【００２４】
また、システムは距離掃引発振器４６を備え、それは例えば１０Ｈｚから約１６ＫＨｚの範囲内で発振する。距離掃引発振器４６は距離遅延発生器４７を制御する。距離遅延発生器４７はパルス繰返し周波数発振器４０の出力を受け取り、パルス発生器４９へ供給するための受信タイミング信号をライン４８上に発生する。パルス発生器４９はサンプルゲート５０のためのゲート信号を発生する。
【００２５】
サンプルゲート５０は、レンズ７２の焦点に配置されたアバランシェフォトダイオード５１に接続される。アバランシェフォトダイオード５１は、そのアノードがサンプルゲート５０に接続され、そのカソードが節点５２に接続される。節点５２は、接地されたバイパスキャパシタ５３と、カソード及び高電圧間に接続された定電流源又は高い値の抵抗５４とを有する。これは、アバランシェフォトダイオード５１のための定電流バイアスを生じさせる。
【００２６】
受光パルスが弱いため、アバランシェフォトダイオードが上述のシステムで使用される。代替的システムは、例えば、ＰＩＮフォトダイオードを使用することができる。アバランシェフォトダイオードは、通常のダイオードとアンプの結合より少なくとも１０ｄＢ高い感度を提供する。本応用では、アバランシェフォトダイオードは、１ＧＨｚより広い帯域で約１０００倍の電流利得を提供し、高価な高電流ドレインアンプの代わりとなり、また数段良好なノイズパフォーマンスと電磁干渉免疫性（ＥＭＩ）を有する。アバランシェフォトダイオードの更なる特徴は、それが光学的自己バイアスモードで動作可能なことである。定電流でアバランシェフォトダイオードをバイアスすることにより、アバランシェフォトダイオードは光学的入力レベルについてその利得を自己調整し、全てのバイアス電流を信号電流とする。信号がどの程度強いか弱いかに拘わらず、アバランシェフォトダイオードはその利得を変化させることを強制され（即ち、その降伏電圧を変更する）、定電流を維持する。この自動利得制御メカニズムは、信号増幅定数を光学的信号レベルで０．１％から１００倍を超える変化に維持し、それは広い温度範囲（−５５°Ｃから＋８５°Ｃ）に渡って一定の信号出力増幅度を提供する。非常に弱い光学的入力レベルでは、アバランシェフォトダイオードのバイアス電流は、アバランシェ多重暗電流に等しく、信号電流は総電流の僅か一部分に過ぎない。従って、自動利得制御動作は妥協される。この制限を克服するために、受信機は自動利得制御回路５７を備え、精密な受信パルス検出閾値を維持する。
【００２７】
サンプルゲート５０の出力は、電荷保持キャパシタ５５に接続される。電荷保持キャパシタ５５はアンプ５６の入力に接続される。自動ゲイン制御回路５７は、アンプ５６の出力とその利得制御入力との間に接続される。
【００２８】
また、アンプ５６の出力は比較器５８に供給され、その比較器５８はアンプ５６の出力を基準電圧ＶREFと比較する。比較器５８の出力はセット／リセットフリップフロップ５９のリセット入力に供給される。フリップフロップ５９のセット入力は、距離掃引発振器４６により供給される。従って、距離掃引発振器の立ち上がりエッジにより示される各距離掃引の開始において立ち上がる信号がライン６０上に生成される。この信号は、サンプルゲートが反射パルスを検出するのと等価な時間中の点で立ち下がる。従って、等価時間距離ゲート信号が生成され、それは距離ディスプレイ又はその他の理由のためにさらなる信号処理リソースに供給することができる。
【００２９】
好適な例では、パルス繰り返し周波数は約４ＭＨｚであり、距離掃引発振器４６は約４０Ｈｚで動作する。これはアンプ５６の出力上に等価時間信号を生じさせ、それは１ナノ秒のパルスを１ミリ秒の変動に拡大する。
【００３０】
図４は、平行ビーム配列を確保するために使用される光学系を概略的に示す。従って、図３のレーザダイオード４３は、そのビームが一般的に１００で示す一組の９０°ミラー又は銀プリズムの一側面に当たるように配置される。ビームは経路１０１に沿って目標１０２へ反射される。目標１０２から経路１０１を通って反射されたビームの成分は、９０°ミラー又は銀プリズムの逆側面に当たる。このビームは、図３の回路のアバランシェフォトダイオード５１へ反射される。送信及び受信ビームが実質的に平行であることを確保するために従来から既知の他の光学系を使用することができる。
【００３１】
図５は、図３を参照して説明されたもののようなレーザテープ測定システムの電子的概略図である。システムは、インバータ２００及びインバータ２０１に基づく４ＭＨｚ周波数発生器を含む。インバータ２００の出力は節点２０２に接続され、また抵抗２０３を介してインバータ２００の入力に接続される。インバータ２０１の入力は節点２０２に接続される。インバータ２０１の出力は、キャパシタ２０４を介してインバータ２００の入力に接続される。発振器の出力は、ライン２０５上に、可変抵抗２０６を介してインバータ２０７の入力に供給される。キャパシタ２０８は、インバータ２０７の入力から接地面へ接続される。可変抵抗２０６及びキャパシタ２０８は、装置のための距離ゼロ化メカニズムを提供する。
【００３２】
インバータ２０７の出力はインバータ２０９の入力に供給される。インバータ２０９は、電源とインバータの接地面との間に接続された大容量のキャパシタ２１０を有する。インバータ２０９の出力はキャパシタ２１０を通じてトランジスタ２１１のベースに接続される。また、抵抗２１２がトランジスタ２１１のベースから接地面へ接続される。トランジスタ２１１のエミッタは接地面に接続される。トランジスタ２１１のコレクタは抵抗２１３を介してレーザダイオード２１４へ接続される。レーザダイオード２１４のアノードは電源に接続される。従って、レーザダイオード２１４は送信経路２１５に沿ってパルス列を発生する。本発明のレーザダイオードを使用して、約１５フィートで直径１／４インチのスポットが生成される。さらに、この回路を使用して生成されるパルスは約５ナノ秒継続し、４ＭＨｚのパルス繰り返し周波数で繰り返される。
【００３３】
ライン２０５上のパルス繰り返し周波数発生器の出力は、可変抵抗２２０を介してインバータ２２１の入力に接続される。可変抵抗２２０は距離掃引更正のために使用される。また、インバータ２２１の入力は距離遅延回路、及び距離掃引発振器により駆動される。距離掃引発振器は、直列のインバータ２２２及び２２３を有する。抵抗２２４がインバータ２２２の出力からその入力に接続される。キャパシタ２２５はインバータ２２３の出力からインバータ２２２の入力に接続される。インバータ２２３の出力はキャパシタ２２６を介してインバータ２２７の入力に接続される。また、インバータ２２７の入力は、抵抗２２８を介して接地面に接続される。インバータ２２７の出力は抵抗２２９を介してインバータ２３０の入力に接続される。インバータ２３０はリニアモードで動作する。また、ダイオード２３５は、そのアノードがインバータ２３０の入力に接続され、そのカソードがインバータ２２７の出力に接続される。
【００３４】
インバータ２３０の出力はキャパシタ２３１を介してその入力及びダイオード２３２のアノードに接続される。ダイオード２３２のカソードはインバータ２３０の入力に接続される。インバータ２３０の出力はまた、抵抗２３３を介してインバータ２２１の入力に接続される。さらに、キャパシタ２３４がインバータ２２１の入力から接地面へ接続される。この回路は、一般的に２３５で示す電圧ランプを生成し、それは約３０ミリ秒の掃引サイクルを有する。
【００３５】
インバータ２２１の出力は掃引遅延受信タイミング信号であり、それはインバータ２４０の入力に供給される。インバータ２４０の出力はキャパシタ２４１を介してトランジスタ２４２のベースに供給される。また、抵抗２４３がトランジスタ２４２のベースから接地面へ接続される。トランジスタ２４２のエミッタは接地面に接続される。コレクタは、抵抗２４４を介して５ボルト電源に接続される。トランジスタ２４２のコレクタはまた、キャパシタ２４５を介してショットキーダイオード２４６のカソードに接続される。さらに、抵抗２４７がショットキーダイオード２４６のカソードから接地面へ接続される。ショットキーダイオード２４６のアノードは節点２４８に接続される。節点２４８はキャパシタ２４９を介して節点２５０に接続される。抵抗２５１は節点２５０から接地面へ接続される。アバランシェフォトダイオード２５６のアノードはまた、節点２５０へ接続される。カソードは抵抗２５２を介して、例えば７５０ボルトの高電源に接続される。キャパシタ２５４は電源から接地面へ接続される。また、キャパシタ２５５はアバランシェフォトダイオード２５６のカソードから接地面へ接続される。直径１センチメートル、焦点距離２センチメートルのレンズ２５７が配置され、受信ビームを、その焦点又はその近傍に配置されたアバランシェフォトダイオード２５６上に集束させる。
【００３６】
節点２４８はまた、抵抗２６０を介して節点２６１へ接続される。節点２６１は抵抗２６２を介して５ボルト電源に接続される。また、キャパシタ２６３は節点２６１から接地面へ接続される。節点２６１はキャパシタ２６４を介してインバータ２６５の入力に接続される。抵抗２６６はインバータ２６５に渡り帰還して接続され、それをリニアモードで動作させる。インバータ２６５の出力はライン２６７上のビデオ信号であり、それは信号処理リソースへ供給される。
【００３７】
インバータ２００、２０１、２０７、２０９、２２１及び２４０は74HC04デバイスを使用して実施することができる。インバータ２２２、２２３、２２７、２３０、２６５、及び２７０はMC14069を使用して実施することができる。トランジスタ２１１及び２４４は2N5836のバイポーラトランジスタである。好適なシステムにおけるレーザダイオード２１４はDigi-key  Part  No.P459-NDである。好適なシステムにおけるアバランシェフォトダイオード２５６はRCAのシリコンAPD  type6489である。
【００３８】
基準電圧ＶREFはインバータ２７０を使用して生成され、そのインバータ２７０はインバータ２６５と同一であり、図中の点線で示すように同一チップ上にあり、入力に接続された出力を有する。インバータ２７０の出力に提供される信号は、受信パルスを検出する比較器のための正確な基準電圧として使用される。
【００３９】
図６は、本発明の装置の距離ディスプレイにより使用される読み出し距離データを生成する信号処理回路を示す。従って、図５のシステムからのライン２６７上のサンプル信号は比較器３０１に供給される。比較器３０１はライン２６７上の信号を電圧閾値３０２と比較する。フリップフロップ３０３は、図５のライン２２６からの４０Ｈｚのクロックに応答して各距離掃引の開始でオンされる。
【００４０】
フリップフロップ３０３はライン２２６からの４０Ｈｚクロックの立ち上がりエッジでハイにクロックされ、比較器３０１の出力がハイになるとリセットされる。フリップフロップ３０３の出力は第１入力としてＡＮＤゲート３０４へ入力される。ＡＮＤゲート３０４の第２入力は、この例では１０ＭＨｚクロック３０５の出力である。ＡＮＤゲート３０４の出力は距離カウンタ３０６を駆動する。従って、距離カウンタはフリップフロップ３０３がハイにクロックされている限りインクリメントし、サンプル信号がライン３０２上の電圧により示される閾値と交差すると直ちにインクリメントを停止する。
【００４１】
一般的に３０７で示される制御回路はライン２２６上の４０Ｈｚクロックに応答し、各掃引の開始でライン３０８上の制御信号により距離カウンタをリセットする。４０Ｈｚの距離掃引をカウントするライン３０５上の１０ＭＨｚクロックにより、このシステムでは非常に高い解像度が提供される。図５のシステムの範囲掃引回路は、時間変換回路へのアナログ電圧に基づき、その時間変換回路は距離精度を１％に制限するが、精度に対する解像度はミリメートル未満である。
【００４２】
システムの絶対的精度は、ゲート遅延並びに送信機及び受信機を実施するために使用される要素中のドリフトにより制限される。そのようなドリフトの一つのソースは、遅延の走査を生成するために使用されるランプ生成器である。掃引遅延を生じさせる代替的システムは図７に示すように同調した水晶発振器に基づく。パルス繰返し周波数発生器に使用される第１の水晶発振器は所望の周波数、例えば、２ＭＨｚから４ＭＨｚに設定される。第２の水晶発振器は、パルス繰返し周波数から４０Ｈｚの掃引周波数を減算したもの（２ＭＨｚ−４０ＭＨｚ）に設定することができる。水晶発振器（又は、代替的に原子時計）で可能な安定度のため、送信及び受信タイミング信号中のドリフトはより精密に制御可能である。
【００４３】
図７において、システムは周波数ｆ１で発振する第１安定発振器４００を有する。発振器４００は従来技術で既知である技術に基づき水晶又は原子時計を使用して実施することができる。この信号は、送信タイミング信号をライン４０１上に提供する。ライン４０１上の送信タイミング信号は、上述のようなパルス発生器４０２を駆動し、そのパルス発生器４０２は送信機４０３を駆動する。第２発振器４０４が含まれ、それは周波数ｆ１−ｆscanで発振する。従って、発振器４０４は、ライン４０１上の送信タイミング信号より４０Ｈｚ少ない周波数で発振するように設定される。また、このクロックは、従来知られている技術を使用する水晶発振器、周波数シンセサイザー、又は原子時計を使用して実施することができる。この発振器はライン４０５上に受信タイミング信号を発生し、それはパルス発生器４０６及び受信機４０７を駆動する。距離ゲートをカウントするために使用される信号処理リソースはＡＮＤゲート４０８により制御される。ＡＮＤゲート４０８は、その入力がライン４０１及び４０５上の信号に接続される。従って、それは送信タイミング信号及び受信タイミング信号パルスが一致した時にライン４０９上にパルスを発生する。これは距離掃引の開始を記録し、フリップフロップ４１０をセットする。フリップフロップ４１０は受信機４０７からのライン４１１上のサンプル信号に応じてリセットされる。従って、ライン４１１上のサンプル信号は比較器４１２に接続され、それは信号を基準電圧４１３と比較する。ライン４１４上の比較器の出力は、受信反射を生じさせる対象物の距離を示すフリップフロップ４１０をリセットする。
【００４４】
従って、ミリメートル未満の解像度の“レーザテープ測定装置”が提供され、それは布や金属の測定器具を、目標物までの距離を１ミリメートル未満の解像度で測定する可視レーザビームに置き換える。本装置は、目に安全であり、長いレーザダイオード及びバッテリー寿命のために低パワーであり、非常に低コストである。
【００４５】
以上の本発明の好適な実施形態の記述は図示及び説明のためになされている。それは網羅的、又は本発明を開示された厳密な形態に限定することを意図していない。当業者には多くの変更及び変形が可能であることは明らかである。本発明の視野は、以下の請求の範囲及びその等価物によって規定されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明によるレーザ距離センサを示す図である。
【図２】本発明によるレーザ距離センサの簡易ブロック図である。
【図３】本発明のレーザ距離センサの機能ブロック図である。
【図４】本発明のレーザ距離センサと共に使用する平行ビームの光学的配置の概略図である。
【図５】本発明の一実施形態による送信機及び受信機回路の電子的概略図である。
【図６】本発明のレーザ距離センサについての読み出し距離データを生成するために使用される信号処理回路の概略図である。
【図７】高度に安定な水晶又は原子時計に基づく、本発明による代替的走査手法を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年11月18日(2005.11.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
距離測定装置において、
第一の周波数を有する送信タイミング信号に応じて可視電磁パルス列を送信する送信機と、
上記第一の周波数とは異なる第二の周波数を有する受信タイミング信号に応じて、制御されたタイミングで対象物からの可視電磁パルス列の反射をサンプリングし、サンプルに応じて対象物までの距離を示すサンプル信号を生成する受信機と、
送信機に送信タイミング信号を供給し、受信機に受信タイミング信号を供給するタイミング回路と、を備え、
前記受信タイミング信号は、前記パルス列中のパルス送信と受信機によるサンプリングとの間の時間が遅延範囲にわたり掃引されるように、受信機に反射をサンプルさせる装置。
【請求項２】
送信タイミング信号は、パルス間の時間を規定するための一貫したパルス繰返し速度で送信機に可視電磁パルス列を送信させ、前記パルス間の時間は、上記遅延範囲の開始と終了における遅延差より大きい請求項１に記載の装置。
【請求項３】
送信タイミング信号は、パルス繰返し速度で送信機に可視電磁パルス列を送信させ、受信タイミング信号は掃引サイクル中で上記遅延範囲にわたり掃引して、反射がパルス繰返し速度で上記遅延範囲中の異なる遅延でサンプリングされ、サンプル信号が等価時間における受信された反射を示すようにする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
掃引サイクルは、１６キロヘルツ未満の掃引速度で繰返される請求項３に記載の装置。
【請求項５】
掃引サイクルは、１００ヘルツ未満の掃引速度で繰返される請求項３に記載の装置。
【請求項６】
パルス繰返し速度は、約１メガヘルツより大きい請求項３に記載の装置。
【請求項７】
受信機は、アバランシェフォトダイオードと、出力及び入力がアバランシェダイオードに接続されたサンプリングゲートと、サンプリングゲートの出力に接続されたアンプと、を備える請求項１に記載の装置。
【請求項８】
送信機は、可視電磁パルス列を供給するレーザダイオードを有する請求項１に記載の装置。
【請求項９】
フィールド内の対象物までの距離を検出する掃引距離ゲートセンサにおいて、
レーザダイオードを有し、送信タイミング信号に応じてパルス列を有する光ビームを送信する送信機であって、前記ビーム中のパルスは、レーザビームが高度に単一モードではない広い帯域の初期エッジ期間により特徴付けられる送信機と、
サンプルゲートに接続されたアバランシェフォトダイオードを有し、受信タイミング信号に応じて、制御されたタイミングでビームが照射された対象物からの反射をサンプリングし、サンプルに応じてサンプル信号を生成する受信機と、
第一の周波数を有する送信タイミング信号を送信機に供給し、上記第一の周波数とは異なる第二の周波数を有する受信タイミング信号を受信機に供給するタイミング回路であって、前記受信タイミング信号は、送信機によるパルス列中のパルス送信と受信機によるサンプリングとの間の時間が遅延範囲にわたって掃引されるように受信機に反射をサンプリングさせるタイミング回路と、
受信機に接続され、前記期間内の反射の初期エッジの往復飛行時間を示す出力を生成するシグナルプロセッサと、を備えるセンサ。
【請求項１０】
アバランシェフォトダイオードに接続された定電流バイアス回路を有する請求項９に記載のセンサ。
【請求項１１】
受信機は、光検出器に接続されたサンプリングゲートと、入力がサンプリングゲートに接続されたアンプと、を有する請求項９に記載のセンサ。
【請求項１２】
送信ビームと受信反射とが実質的に平行ビームとなるようにする光学系を備える請求項９に記載のセンサ。
【請求項１３】
第１位置から第２位置までの距離を測定する方法において、
制御された第一のタイミングで第１位置から第２位置へパルスの光ビームを送信する工程と、
第１位置において、送信工程におけるビーム中のパルス送信とサンプリングとの間の時間が遅延範囲にわたり定期的に掃引されるように可視ビームの反射を上記第一のタイミングとは異なる第二のタイミングでサンプリングする工程と、
結果として得られるサンプルを処理してビーム中のパルスの往復飛行時間を決定する工程と、を備える方法。
【請求項１４】
送信工程は、パルスの少なくとも初期エッジが高度にマルチモードである広い帯域のレーザービームとなるようにパルスを生成する工程を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記パルスをレーザダイオードを使用して生成する工程を有する請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記パルスを発光ダイオードを使用して生成する工程を有する請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
アバランシェフォトダイオードを使用して前記反射をサンプリングする工程を有する請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
ＰＩＮダイオードを使用して前記反射をサンプリングする工程を有する請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
アバランシェフォトダイオードを定電流にバイアスする工程を有する請求項１７に記載の方法。
【外国語明細書】
2006047322000001.pdf